2.3.5 Обезводороживание высокопрочных нержавеющих сталей в целях повышения их эксплуатационной надежности

Вопросам водородного охрупчивания высокопрочных сталей и сплавов в последнее время уделяется все большее внимание. В практике эксплуатации изделий, в которых имеется весьма большое количество высокопрочных сложнолегированных сталей переходного аустенитно-мартенситного класса и сталей со стареющим мартенситом, имели место случаи преждевременного хрупкого разрушения этих конструкций. Исследования показали, что, несмотря на полное соответствие всем требованиям ТУ на металл по механическим свойствам, химическому составу, состоянию макро- и микроструктуры, металл преждевременно хрупко разрушается, причем это происходит чаще всего не от динамических, а от статических нагрузок сравнительно небольшой величины, но воздействующих в течение длительного времени.

Своеобразный вид излома разрушившихся изделий вызвал предположение о том, что, не является ли и здесь причиной разрушения диффузионно-подвижный водород, который может попасть в сталь еще при ее изготовлении — выплавке. И, несмотря на то, что в авиационной промышленности применяются только стали, выплавленные в электродуговых печах с применением последующего электрошлакового переплава, эти стали, как, оказалось, действительно содержат довольно значительное количество диффузионно-подвижного водорода.

Для удаления водорода из стали в настоящее время применяются весьма длительные по времени специальные обезводороживающие обработки, состоящие в том, что детали нагревают до различных температур и длительно выдерживают при этих температурах. Диффузионным путем водород удаляется из металла. Коэффициент диффузии водорода весьма существенно зависит от структурного состояния сталей. Все разработанные и применяемые режимы обезводороживания предусматривают нагрев сталей до максимальных температур в области существования а-фазы, так как известно, что растворимость водорода в γ-фазе (аустените) значительно выше и водород там находится в равновесном состоянии в значительно большей концентрации. Кроме того, существенное значение имеет структурное состояние, которое создано в стали перед процессом обезводороживания. Необходимо, чтобы в стали было как можно меньше остаточного аустенита, чтобы не было полосчатого строения, что достигается проведением горячей деформации.

Надо стремиться также к тому, чтобы границы зерен были как можно чище от частиц второй фазы (карбидов, карбонитридов и др.), но, если их присутствие необходимо, чтобы имели форму мелкодисперсных включений с равномерным распределением в объеме зерен, а не в виде замкнутой сетки по границам зерен, так как эти частицы могут являться коллекторами (ловушками) для атомов водорода.

Охрупчивающее влияние диффузионно-подвижного водорода особенно четко выявляется при испытании сталей на длительную прочность при статическом нагружении.

Например, при испытании свойств образцов, вырезанных из массивных сечений металла, типа рам, лонжеронов было замечено, что время до разрушения под действием постоянной нагрузки обратно пропорционально содержанию в стали диффузионно-подвижного водорода. При содержании водорода 1,0—1,4 см³/100 г образцы разрушались при коэффициенте загрузки 0,4—0,5 σ_вн через 1—2 суток. Снижение содержания водорода до 0,25—0,40 см³/100 г увеличивает время до разрушения при коэффициенте загрузки 0,6—0,7 σ_в до 3—4 суток. И только при содержании водорода меньше 0,2 см³/100 г при коэффициенте загрузки 0,9—0,95 σ_в^н время до разрушения становится более 5 суток. Исследование распределения водорода по массивным сечениям штамповок показало, что оно неравномерно и наибольшая концентрация приходится на центральные части массивного сечения (рис. 2.26).

Рис.2.26 Свойства стали ВНС-5 но сечению штамповки и содержание диффузионно-подвижного водорода в ней

Исследовалась штамповка после 4-ступенчатого отжига. Сечение штамповки S = 200 мм. Из нее вырезался темплет толщиной 42 мм. Проводилась упрочняющая термообработка по режиму: закалка при температуре 1070°С + обработка холодом (—70°С) + отпуск при 200°С (3 ч). Обезводороживающая обработка не производилась. Содержание водорода в штамповке составило: H₁ = 2,30 см³/100 г; Н₅ = 6,69 см³/100 г; Н₅ = 6,24 см³/100 г.

После дополнительной упрочняющей термообработки содержание водорода понизилось и составило: Н₁₀ = 0,64 см³/100 г; Н₆ = 2,25 см³/100 г; Н₆ = 1,15 см³/100 г.

При повторном четырехступенчатом отжиге в штамповке содержание водорода достигло 6,2—6,7 см³/100 г. После термической обработки по полному упрочняющему циклу (1070⁺²⁰⁰_-70) °С содержание водорода в центре темплета составило 2,2—2,3 см³/100 г, по месту реза в центре штамповки—1,1—1,2 см³/100 г, с поверхности же штамповки — 0,5— 0,7 см³/100 г. Таким образом, наибольшая концентрация водорода приходится именно на центральные части деталей.

Определение механических свойств на образцах, вырезанных из центральных частей штамповок толщиной 45 мм, показало, что уровень прочности: σ_в = 1580-1650 МПа~ 158 -165 кгс/мм²; σ_0,2 = 1420 - 1460 МПа ~ 142 — 146 кгс/мм²; σ = 14-19% , сохраняется примерно по всему сечению детали. В то же время резко падает по мере увеличения содержания водорода в центральных частях.

Проведение обезводороживания образцов при температуре 520 °С позволяет повысить уровень пластичности стали и время до разрушения под действием статической нагрузки (рис. 2.26).

Рис.2.27 Изменение механических свойств стали ВНС-5 в зависимости от длительности обезводорожииания при температуре 520°С

Исследовалась штамповка после четырехступенчатого отжига, обезводороживающей обработки при 520°С и упрочняющей термической обработки. Толщина темплета была 42 мм. Содержание водорода в исходном состоянии, т.е. без обезводороживающей обработки, Н₀ = = 2,10 см³/100 г, при этом относительное сужение ψ = 18 %; после выдержки в течение 5 ч содержание диффузионно-подвижного водорода составило 1,32 см³/100 г, а величина относительного сужения ψ = 25%; после 10-часовой выдержки содержание водорода составило 0,34 см³/100 г, а после 15-часовой выдержки — 0,21 см³/100 г. И только после 20-часовой выдержки содержание водорода понизилось до 0,15 см³/100 г и относительное сужение достигло значения, которое необходимо по техническим условиям, т. е. ψ≥55%.

Наиболее целесообразно в технологическом цикле изготовления деталей из массивных штамповок стали ВНС-5 обезводороживающую обработку производить после окончательной механической обработки. Например, для стали ВНС-5 эта операция производится после четырехступенчатого отжига.

Для сталей мартенситно-стареющих ВНС-2уш, ЭП817, в структуре которых после отжига содержится повышенное количество аустенита, операцию обезводороживания иногда производят при температуре 400°С после закалки и обработки холодом, при этом время выдержки увеличивается по сравнению с отжигом при температуре 520 °С в 2—3 раза.

Таблица 2.13

Свойства стали ВНС-5 после испытаний на замедленное разрушение

№ по пор.	№ образца	Обезводороживание	Коэффициент нагружения от σвн	Усилие нагружения, Н	Время до разрушения, сут.	Содержание Н,см3/100 г.
1 2 3 4	1 6 6 9 6 10	520°С 5 ч. 520°С 10 ч. 520°С 20 ч.	0,5 0,4 0,6 0,8 0,9 0,95	17030 13620 19800 28870 30780 34200	1 1 3 2 5 5	0,42 1,46 0,29 0,18 0,14 0,08